[發明專利]一種考慮粗糙表面微凸體相互作用影響的確定受載結合部法向接觸剛度的方法

有效

• 申請號: 201710029431.4
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN106709207B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 王潤瓊;朱立達;倪陳兵;敦藝超;史家順;于天彪;鞏亞東
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李馨

本發明提供一種考慮粗糙表面微凸體相互作用影響的確定受載結合部法向接觸剛度的方法，包括如下步驟：測量接觸表面的微觀形貌數據，利用三維輪廓測量儀器獲得結合部處接觸表面的微觀輪廓數據，提取各微凸體頂點在長度方向的位置坐標，模擬粗糙表面的微凸體形態；建立法向載荷與接觸剛度之間的關系；計算接觸表面的分形參數，利用結構函數法，對提取的數據進行理論計算，獲取其表面分形維數和尺度系數；根據上述步驟，將材料各參數值代入最終計算結合部法向接觸剛度。本發明提出了一種確定結合面法向接觸剛度的新方法，克服了傳統基于分形理論的方法在重載情況下計算結果不準確的缺點，具有可靠性強，貼近實際情況，計算量小，提高計算效率等優點。

技術領域

本發明涉及一種確定機械結合部法向接觸剛度的方法，尤其涉及一種考慮粗糙表面微凸體相互作用影響的確定受載結合部法向接觸剛度的方法。

背景技術

工業技術的日益發展對機械加工設備的精密化和集成化提出了更高的要求，機械加工精度的進一步提高離不開機械聯結技術的廣泛應用。而機械結合部接觸剛度作為機械結構整體剛度的重要組成部分，對大型機械設備的動態特性有著非常顯著的影響。國外學者研究表明，在普通車床中，溜板、刀架的變形量占機床總變形量的40％，而其中導軌結合部的變形占比就高達30％；同時，對于單臂龍門刨床，當假設刀架和立柱結合面為完全剛性時，其整體剛度甚至可以提高39％。因此，為了提高機械加工設備的工作精度，需要在設計階段就能預測結合部的剛度特性。出現了結合部剛度理論計算、實驗研究技術。

對于結合面接觸剛度的研究，一方面，部分研究學者在赫茲接觸理論的基礎上，從統計學的角度出發，建立了機械結合面的統計學微觀接觸模型。該研究發現粗糙表面微凸體的高度分布近似于高斯分布，為機械結合部動態特性的研究提供了堅實的理論基礎；另一方面，有學者基于表征粗糙表面輪廓曲線的分形函數和島嶼面積分布函數建立了分形接觸模型，該模型將粗糙表面的接觸狀態分為彈性變形階段和塑性變形階段，從法向載荷與接觸面積的函數關系角度進行研究，在分析結果上避免了測量儀器分辨率和樣本長度的影響。

雖然在國內外研究學者的不懈努力下，結合部法向接觸剛度模型一直在發展、完善。但是在機械結合部承受較大載荷時利用現有的粗糙表面接觸模型計算接觸剛度值依然存在較大誤差。其主要原因在于：在機械結合部承受較大載荷時，粗糙表面的微凸體發生嚴重變形，此時分形接觸模型中微凸體的變形作用相互獨立的假設、統計學模型中粗糙表面微凸體頂峰的曲率半徑相同的假設都不成立。而實際上，在機械結合部承受法向載荷較大的情況下，接觸表面微凸體間的相互作用力起主導作用，不能被忽略。因此，在重載情況下，利用前述理論方法并不能準確地計算出結合部接觸剛度。

發明內容

根據上述提出的技術問題，而提供一種考慮粗糙表面微凸體相互作用影響的確定受載結合部法向接觸剛度的方法。本發明主要通過測量接觸表面的微觀形貌數據、建立法向載荷與接觸剛度之間的關系、計算接觸表面的分形參數和計算結合部法向接觸剛度，從而提高接觸模型的準確性。

本發明采用的技術手段如下：

一種考慮粗糙表面微凸體相互作用影響的確定受載結合部法向接觸剛度的方法，其特征在于包括如下步驟：

S1、測量接觸表面的微觀形貌數據，利用三維輪廓測量儀器獲得結合部處接觸表面的微觀輪廓數據，提取各微凸體頂點在長度方向的位置坐標，模擬粗糙表面的微凸體形態；

S2、建立法向載荷與接觸剛度之間的關系，具體地包括，

S21、建立法向載荷與接觸面積的關系，將受載結合部的兩個結合面轉化為一剛性光滑平面與一粗糙平面接觸，考慮微凸體相互作用影響后由彈性因素引起的變形量；根據赫茲接觸理論，綜合考慮微凸體的曲率半徑和彈塑性變形后可以得到接觸面的總載荷，得出分形接觸模型；

S22、建立法向接觸剛度模型，根據微凸體的載荷變形函數，推導微凸體結合面總剛度值；